一种用于椎弓根螺钉植入的术中导航系统技术方案

本发明专利技术公开一种用于椎弓根螺钉植入的术中导航系统，包括多功能钻头、近红外参数采集装置、电磁定位装置和计算机，其中，电磁定位装置包括通过电缆连接的磁场发生器和电磁定位仪，电磁定位仪还连接计算机；所述多功能钻头包括螺纹套管、接收光纤、发射光纤、电磁定位线圈、内部不锈钢管、外部不锈钢管和手柄，接收光纤、发射光纤和电磁定位线圈平行紧密设于内部不锈钢管中，且所述电磁定位线圈连接电磁定位仪，接收光纤和发射光纤分别连接近红外参数采集装置的光源输出接口和光源输入接口；所述近红外参数采集装置连接计算机。此结果操作简单、实时有效，可在术中实时监测椎弓根螺钉植入的位置、方向和深度，并在螺钉偏植或到达边界前进行预警。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于医疗器械领域，涉及一种骨科手术椎弓根螺钉植入的术中导航系统，具体涉及一种用于椎弓根螺钉植入的近红外、电磁定位与CT影像联合术中导航系统及其工作方法。
技术介绍
以椎弓根螺钉(Pedicle Screw，PS)植入为基础的脊柱内固定手术，是用经椎弓根螺钉构成的棍棒式内固定方法稳定脊椎结构，以促进病变节段融合康复，具有效果好、周期短、见效快等优点，临床上已被广泛用于治疗脊柱畸形、脊柱创伤、脊椎滑脱和各种椎间盘退行性疾病。手术需要在椎体上确定理想的植入点、植入方向和植入深度，螺钉植入位置不佳和误植入已是阻碍椎弓根螺钉内固定技术进一步发展的主要原因，而螺钉植入通道的偏差又是造成植入位置不佳和误植的主要因素。 为了提高椎弓根螺钉植入的准确率，各国学者对螺钉植入的监测方法和导航技术展开了深入的研究，取得了较快的发展，其主要的监测手段包括X射线成像、术中诱发电位、计算机辅助导航、组织电导率、近红外定位导航等。X射线可做正、侧位或其他位置投照，但不能做横断成像，同时椎弓根前后解剖结构存在遮挡。术中诱发电位法，如果已监测到肌电图变化，神经损伤可能已经发生，该技术也无法进行术中连续监测，同时无法直观地了解PS的方向和位置。而脊柱外科手术导航系统价格昂贵，操作复杂，注册系统要求定位精确，一旦定位后就不能移动，否则将严重影响椎弓根钉置入准确性。应用CT需在术前采集图像而术中进行匹配，无法得到完全的实时性。组织电导率只能获得即将穿破处的信息，不能判断螺钉与椎体和椎弓根的空间关系，同时穿刺路径上椎骨组织的电导率差别较小。近红外定位导航可以实时获得椎骨组织针道上的光学参数，但无法获得螺钉的空间位置、方向、植入深度等信息。通过以上分析，目前并没有一种行之有效的用于椎弓根螺钉植入的监测系统，有待进一步完善。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种用于椎弓根螺钉植入的术中导航系统，其操作简单、实时有效，可在术中实时监测椎弓根螺钉植入的位置、方向和深度，并在螺钉偏植或到达边界前进行预警。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是—种用于椎弓根螺钉植入的术中导航系统，包括多功能钻头、近红外参数采集装置、电磁定位装置和计算机，其中，电磁定位装置包括磁场发生器和电磁定位仪，二者通过电缆连接，而所述电磁定位仪还通过电缆连接计算机；所述多功能钻头包括螺纹套管、接收光纤、发射光纤、电磁定位线圈、内部不锈钢管、外部不锈钢管和手柄，其中，外部不锈钢管为中空结构，其一端紧密连接有螺纹套管，另一端螺纹连接手柄；所述外部不锈钢管套合在内部不锈钢管的外部；所述内部不锈钢管的中心为圆形通孔，接收光纤、发射光纤和电磁定位线圈平行紧密设于所述通孔中，且所述电磁定位线圈通过串行电缆连接电磁定位装置中的电磁定位仪；所述近红外参数采集装置包括机盒及设于机盒内部的电源、光源、光谱仪，所述机盒的外部分别设有电源开关、光源开关、光源输出接口、光源输入接口和USB接口，其中，电源为内部各模块供电，并由电源开关控制其启闭；光源经由光源输出接口连接发射光纤，且该光源由光源开关控制其启闭；光谱仪经由 源输入接口连接接收光纤；USB接口通过USB数据线连接计算机，用以交换数据。上述多功能钻头还包括光纤电缆输出端口，所述光纤电缆输出端口设于内部不锈钢管与螺纹套管相对的一端，所述接收光纤、发射光纤和电磁定位线圈均穿过该光纤电缆输出端口后再与外部设备连接。 采用上述方案后，本专利技术将近红外、电磁定位和CT影像技术三者相结合，达到术中实时导航和监测椎弓根螺钉植入过程并预警的目的。采用近红外光谱技术实时获得椎骨相关联组织参数，采用电磁定位方法实时获得多功能钻头空间位置、角度信息，利用转换模型将术前CT影像数据转换为近红外参数，从而将术中的实时参数和术前的参数进行联合，达到实时导航的目的，同时完成了导航过程的预警。本专利技术实施简单，操作灵活，手术时无需大型的手术设备，便于临床应用。附图说明图I是本专利技术的整体结构示意图；图2是本专利技术中多功能钻头的结构示意图；图3是本专利技术的实施流程图；图4是本专利技术对脊椎骨进行重建后的三维模型；图5是本专利技术手术注册示意图；图6是本专利技术椎骨边界示意图；图7 Ca)是本专利技术植钉路径上CT值曲线图；图7 (b)是本专利技术植钉路径上近红外光学参数曲线图；图8是本专利技术在椎弓根上进行植钉和预警的示意图。具体实施例方式首先，本专利技术提供一种用于椎弓根螺钉植入的术中导航系统，其将近红外、电磁定位与CT影像三者相结合，其工作原理是利用近红外对人体组织的良好穿透性，测量一定前视距离上骨组织漫反射光谱，从而计算出特定波长的光强、特定波长范围的光谱积分面积等参数，统称为近红外参数。近红外光源发出的近红外光经过不同成分的组织衰减后，近红外光电传感器接收到组织漫反射光谱是不同的，解得的近红外参数也就不同，根据近红外参数的变化就可以辨别椎弓根螺钉穿刺路径和一定前视距离上骨组织结构的变化。最新研究成果表明，近红外参数和CT影像的强度存在密切的关系，近红外参数对生物组织信息的反映和CT的结果具有同样的可靠性，近红外参数组织形态分布和CT影像的解剖信息基本对应，而近红外测量参数的实时性和“可见性”可以弥补椎弓根螺钉植入手术中实时监测的局限性。以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。 如图I所示，本专利技术一种用于椎弓根螺钉植入的术中导航系统，手术时将本专利技术置于手术台附近，配合相应的手术器械进行椎弓根螺钉植入手术，所述术中导航系统包含多功能钻头12、近红外参数采集装置、电磁定位装置和计算机1，下面将分别介绍。电磁定位装置包括磁场发生器15和电磁定位仪14，二者通过电缆连接，而所述电磁定位仪14还通过串行电缆16连接计算机1，所述电磁定位仪14还通过电缆13连接多功能钻头12。配合图2所示，所述多功能钻头12包括螺纹套管16、接收光纤10、发射光纤11、电磁定位线圈19、内部不锈钢管17、外部不锈钢管20和手柄21，其中，外部不锈钢管20为中空结构，其一端紧密连接有螺纹套管16，所述螺纹套管16为横截面U型结构，从而将外部不锈钢管20的该端封闭，所述外部不锈钢管20的另一端螺纹连接手柄21，所述外部不锈钢管20套合在内部不锈钢管17的外部，从而将内部不锈钢管17的一端封闭，定义内部不锈钢管17的另一端为自由端，通过手柄21可方便将外、内部不锈钢管20、17套合或拆分；所述内部不锈钢管17的中心为圆形通孔，接收光纤10、发射光纤11和电磁定位线圈19平行紧密设于所述通孔中，在本实施例中可在内部不锈钢管17内填充胶水用以固定，且所述接收光纤10、发射光纤11和电磁定位线圈19的直径都是200um左右；为了防止线缆缠绕，所述内部不锈钢管17的自由端还设有光纤电缆输出端口 18，所述接收光纤10、发射光纤11和电磁定位线圈19均穿过该光纤电缆输出端口 18后再与外部设备连接。所述多功能钻头12在使用时，电磁定位线圈19通过串行电缆13连接电磁定位装置中的电磁定位仪14，而接收光纤10、发射光纤11分别连接近红外参数采集装置，电磁定位线圈19用于记录磁场发生器15产生的磁场坐标，接收光纤10则采集组织散射近红外光，通过近红外参数采集装置处理后送入计算机I计算近红外光学参数。所述近红外参数采集装置包括机盒2及设本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于椎弓根螺钉植入的术中导航系统，其特征在于：包括多功能钻头、近红外参数采集装置、电磁定位装置和计算机，其中，电磁定位装置包括磁场发生器和电磁定位仪，二者通过电缆连接，而所述电磁定位仪还通过电缆连接计算机；所述多功能钻头包括螺纹套管、接收光纤、发射光纤、电磁定位线圈、内部不锈钢管、外部不锈钢管和手柄，其中，外部不锈钢管为中空结构，其一端紧密连接有螺纹套管，另一端螺纹连接手柄；所述外部不锈钢管套合在内部不锈钢管的外部；所述内部不锈钢管的中心为圆形通孔，接收光纤、发射光纤和电磁定位线圈平行紧密设于所述通孔中，且所述电磁定位线圈通过串行电缆连接电磁定位装置中的电磁定位仪；所述近红外参数采集装置包括机盒及设于机盒内部的电源、光源、光谱仪，所述机盒的外部分别设有电源开关、光源开关、光源输出接口、光源输入接口和USB接口，其中，电源为内部各模块供电，并由电源开关控制其启闭；光源经由光源输出接口连接发射光纤，且该光源由光源开关控制其启闭；光谱仪的输入端经由光源输入接口连接接收光纤，输出端连接USB接口，所述USB接口通过USB数据线连接计算机，用以实现光谱仪与计算机之间的数据交换。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李韪韬，高慧，钱志余，张爽，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：